[發(fā)明專利]一種金屬鋰負(fù)極材料及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811549712.3
• 申請日: 2018-12-18
• 公開（公告）號: CN109638284B
• 公開（公告）日: 2020-07-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 謝佳;姜智鵬;金留;孫玉龍;曾子琪
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號: H01M4/60
• 分類號: H01M4/60;H01M4/62;H01M10/0525
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青;李智

本發(fā)明屬于鋰電池領(lǐng)域，更具體地，涉及一種金屬鋰負(fù)極材料及其制備方法。本發(fā)明提供的鋰金屬負(fù)極是通過將具有良好鋰離子傳輸性的有機(jī)聚合物材料涂覆在金屬鋰表面形成高分子保護(hù)膜，該有機(jī)聚合物為雜原子摻雜的聚丙烯腈類聚合物。該方法操作簡便，成本低廉，適用于大規(guī)模生產(chǎn)。利用本發(fā)明制備的金屬鋰負(fù)極，能夠大幅度提高鋰金屬二次電池的循環(huán)性能和能量密度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鋰電池領(lǐng)域，更具體地，涉及一種金屬鋰負(fù)極材料及其制備方法。

背景技術(shù)

隨著化石能源的不斷枯竭以及其帶來的環(huán)境污染問題，新能源的利用在現(xiàn)代社會(huì)占據(jù)了越來越大的比例。這其中，鋰電無疑是21世紀(jì)以來最受人矚目的新能源技術(shù)。雖然，鋰離子電池的應(yīng)用已經(jīng)在我們的生活中隨處可見，但鋰離子電池較低的容量密度限制了其進(jìn)一步發(fā)展，因此人們將目光轉(zhuǎn)向具有更高容量密度的電極材料，以滿足制造高比能量的先進(jìn)能源存儲(chǔ)設(shè)備的需求。金屬鋰無疑是這其中最耀眼的一顆珍珠，金屬鋰具有極高的理論比容量(3860mAh/g)和最低的還原電位(-3.04V對比標(biāo)準(zhǔn)氫電極)，非常適合用于高比能量二次電池的負(fù)極材料。

但是，金屬鋰因?yàn)槠浠顫姷幕瘜W(xué)性質(zhì)，在使用過程中存在著以下問題：(1)金屬鋰在充放電過程中會(huì)在集流體上發(fā)生不均勻沉積，從而產(chǎn)生鋰枝晶現(xiàn)象，鋰枝晶的不斷生長最終可能會(huì)刺穿電池隔膜，造成短路現(xiàn)象，甚至引發(fā)電池爆炸失火；(2)金屬鋰在充放電過程中會(huì)和電解液發(fā)生反應(yīng)，一方面使電解液不斷消耗，另一方面產(chǎn)生不可逆的鋰沉積造成粉化和死鋰，從而使循環(huán)壽命大大降低。

因此，為了真正實(shí)現(xiàn)金屬鋰電池的真正大規(guī)模生產(chǎn)，開發(fā)出一種既能均勻沉積鋰從而抑制鋰枝晶的產(chǎn)生，又能避免和電解液反應(yīng)的金屬鋰負(fù)極顯得愈發(fā)重要。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種金屬鋰負(fù)極材料及其制備方法，其通過在金屬鋰表面制備一層具有良好鋰離子傳輸性的高分子保護(hù)膜，從而引導(dǎo)鋰離子在充放電過程中均勻沉積，抑制鋰枝晶的產(chǎn)生，阻止金屬鋰與電解液發(fā)生反應(yīng)，提高金屬鋰的循環(huán)性能和容量保持率，由此解決常規(guī)金屬鋰負(fù)極在循環(huán)過程中的不均勻沉積產(chǎn)生的鋰枝晶現(xiàn)象，以及金屬鋰負(fù)極與電解液反應(yīng)產(chǎn)生的死鋰從而降低循環(huán)性能的現(xiàn)象，利用本發(fā)明制備的金屬鋰負(fù)極可以用于下一代金屬鋰電池，包括鋰-硫、鋰-空氣電池的生產(chǎn)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種金屬鋰負(fù)極材料，包括金屬鋰及其表面的高分子保護(hù)膜，所述高分子保護(hù)膜的主要成分包括有機(jī)聚合物和粘結(jié)劑；

所述有機(jī)聚合物為雜原子摻雜的聚丙烯腈類有機(jī)聚合物，所述有機(jī)聚合物具有鋰離子傳輸性；

所述粘結(jié)劑用于使有機(jī)聚合物均勻涂覆在金屬鋰表面；

所述高分子保護(hù)膜通過化學(xué)親和力促進(jìn)鋰離子傳輸過程，引導(dǎo)鋰離子在充放電過程中均勻沉積，抑制鋰枝晶的產(chǎn)生，阻止金屬鋰與電解液發(fā)生反應(yīng)，從而提高金屬鋰的循環(huán)性能和容量保持率。

優(yōu)選地，所述有機(jī)聚合物為碳化聚丙烯腈、氧化聚丙烯腈、硫化聚丙烯腈、硒化聚丙烯腈、碲化聚丙烯腈、硒摻雜的硫化聚丙烯腈、碲摻雜的硫化聚丙烯腈和硒碲摻雜的硫化聚丙烯腈中的一種或幾種。

優(yōu)選地，所述有機(jī)聚合物為硫化聚丙烯腈。

優(yōu)選地，所述粘結(jié)劑為聚偏氟乙烯、聚環(huán)氧乙烷和丙烯腈多元共聚物中的一種或幾種。

優(yōu)選地，所述高分子保護(hù)膜的厚度為10μm-200μm。

優(yōu)選地，所述有機(jī)聚合物和粘接劑的質(zhì)量比為1:1-99:1。

按照本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種所述的金屬鋰負(fù)極材料的制備方法，將有機(jī)聚合物研磨后加入粘接劑并選擇合適的溶劑勻漿，然后在惰性氣氛下將有機(jī)聚合物均勻涂覆在金屬鋰表面，待溶劑完全揮發(fā)后即制得所述的金屬鋰負(fù)極材料。